KR101409422B1 - 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 고분자 연료전지용 분리판 - Google Patents

고분자 연료전지용 분리판의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 고분자 연료전지용 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법은 2개의 스테인리스 판재를 준비하는 단계, 상기 판재의 어느 하나에 하이드로포밍 가압을 위한 주입구를 형성하는 단계, 상기 판재를 맞대어 외곽테두리를 용접하는 단계 및 상기 주입구를 이용하여 하이드로포밍 성형공법에 의해 연료극 및 공기극의 유로채널을 동시에 성형하는 단계를 포함한다.

Description

고분자 연료전지용 분리판의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 고분자 연료전지용 분리판{Fabrication method of metal bipolar for PEMFC, and metal bipolar for PEMFC fabricated by the method}
본 발명은 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이드로포밍 공정에 의해 연료극측 분리판과 공기측 분리판 채널을 동시에 일괄 성형에 의해 성형함으로써 연료전지의 성능을 향상시키고 비용을 절감할 수 있는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지 기술중에 고분자 연료전지는 자동차, 버스, 군용등의 특수용도에 적용할 수 있는 수송용 연료전지, 가정용 및 상업용에 사용될 수 있는 건물용 연료전지, 소형 발전기에서 휴대용, 노트북용등에 적용될 수 있는 휴대용 연료전지에 적용될 수 있으며, 높은 발전효율과 저온에서(~100℃) 작동되어 운전 기동성이 높은 특징이 있다.
고분자 연료전지는 연료전지 셀(전극 및 전해질 집합체)과 분리판이 핵심 구성요소이며, 이들 구성요소가 반복적인 적층을 통하여 연료전지 스택을 제조하게 된다.
고분자 연료전지 분리판 소재은 단위 전지간 전류 집전체로 사용되며, 동시에 반응기체의 유로로 사용된다. 특히 분리판은 스택내에서 차지하는 가격비중이 50%내외로 연료전지 셀과 함께 핵심 구성부품중의 하나이다. 연료전지 분리판으로는 흑연계와 금속계의 두소재로 나누어지며 초기단계에 적용되던 흑연계 분리판은 고가의 가격과 낮은 양산성등의 문제점을 갖고 있어 점차적으로 금속계 분리판 사용이 증가하고 있다.
도1은 고분자 연료전지용 스테인리스 분리판의 단면구조를 나타낸 개략도이다. 도1를 참조하면, 고분자 연료전지용 스테인리스 분리판은 연료극 분리판(1), 공기극 분리판(2), 연료전지 셀(전극 및 전해질 집합체)(3), 냉각수 채널(4), 연료극(수소) 채널(5), 공기극측 채널(6) 및 접합부(7)를 포함한다.
금속 분리판의 제조는 통상적으로 연료극측 분리판(1)과 공기극측 분리판(2) 2개의 분리판을 스템핑 혹은 하이드로 포밍공정을 통하여 제조한 후, 내부의 냉각수 유로를 확보하기 위하여 연료극측 분리판과 공기극측 분리판을 맞대어 접합부(7)를 형성하여 최종분리판을 완성하는 공정을 갖는다.
이와 같은 통상의 제조공정에 의하면, 연료극측 분리판과 공기극측 분리판을 각각 분리하여 성형하여 준비하여야 하고, 분리판 성형품에 대한 용접 및 가스켓 사출시 추가로 공정시간이 소요되고 및 별도의 용접 및 사출공정의 지그제작등에 의하여 비용증가는 물론, 용접시 열에 의한 비틀림 등에 의한 분리판끼리의 접촉면 이탈로 저항손실이 발생하여 연료전지의 성능저하를 유발할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료극측 분리판과 공기극측 분리판의 채널을 동시에 일괄 성형공정에 의해 성형함으로써 공정비용을 절감하고 분리판간 접촉면을 증가시켜 고분자 연료전지의 성능 향상시킬 수 있는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법은 2개의 스테인리스 판재를 준비하는 단계, 상기 판재의 어느 하나에 하이드로포밍 가압을 위한 주입구를 형성하는 단계, 상기 판재를 맞대어 외곽테두리를 용접하는 단계 및 상기 주입구를 이용하여 하이드로포밍 성형공법에 의해 연료극 및 공기극의 유로채널을 동시에 성형하는 단계를 포함한다.
상기 스테인리스 판재는 중량 퍼센트로 Cr: 25~32% 포함하고, 두께 0.2mm이하일 수 있다.
상기 하이드로 포밍 성형압력은 1200~2400bar일 수 있다.
상기 하이드로포밍 성형시 상부 다이 및 하부 다이의 온도를 150℃ 이하로 가열할 수 있다.
본 발명에 의한 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법에 따르면 연료극측 분리판과 공기극측 분리판 채널을 동시에 성형할 수 있어 공정비용을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 분리판간 접촉면의 증가로 고분자 연료전지의 성능을 향상시키고 그 제조비용을 저감시킬 수 있다.
도1은 고분자 연료전지용 스테인리스 분리판의 단면구조를 나타낸 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍공정을 나타낸 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍공정의 최적 성형압 조건 도출을 위한 유한요소 성형해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2000bar의 압력으로 성형된 분리판의 단면구조를 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법은 2개의 스테인리스 판재를 준비하는 단계, 상기 판재의 어느 하나에 하이드로포밍 가압을 위한 주입구를 형성하는 단계, 상기 판재를 맞대어 외곽테두리를 용접하는 단계 및 상기 주입구를 이용하여 하이드로포밍 성형공법에 의해 연료극 및 공기극의 유로채널을 동시에 성형하는 단계를 포함한다.
우선, 분리판으로 사용될 수 있는 2개의 스테인리스 판재를 준비한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 스테인리스 판재는 중량 퍼센트(wt%)로 Cr:25~32% 를 포함하는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)은 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위한 성분으로서 Cr 함량이 25%이하인 경우에는 Fe용출에 의한 연료전지 성능 저하를 일으킬 수 있다. Cr함량이 32%를 초과하는 경우 스테인리스강의 강도가 과도하게 증가하여 고분자 연료전지용 분리판 제조시에 성형성이 떨어질 수 있는 문제가 있다.
또한, 스테인리스 판재의 두께는 0.2mm이하가 바람직하다. 두께가 0.2mm를 초과하는 경우에는 전기전도성이 저하되어 분리판으로 사용하기 곤란해질 수 있기 때문이다.
상기 준비된 스테인리스 판재의 어느 하나에 하이드로포밍 가압을 위한 주입구를 형성시킨다. 상기 주입구는 하이드로포밍에 이용되는 매체를 투입할 수 있도록 판재의 일면에 홀가공을 통하여 형성시킬 수 있다.
상기 주입구를 형성시킨 후 2개의 판재를 맞대어 외곽테두리를 용접한다. 용접은 통상의 스테인리스 판재의 용접에 사용되는 방법으로 실시될 수 있으며, 테두리부 또는 메니폴더부에 용접을 할 수 있다.
용접을 마친후에는 상기 주입구를 이용하여 하이드로포밍 성형공법에 의해 연료극 및 공기극의 유로채널을 동시에 성형한다. 하이드로포밍 성형공법이란, 두개의 판재의 가장자리를 용접한 후 판재 사이에 유체를 이용하여 내압을 가압을 가함으로써 원하는 형상을 얻는 기법이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍공정을 나타낸 모식도이다. 도2를 참조하여 설명하면, 용접된 판재를 상부금형(51)과 하부금형(52)에 안착하여 연료극 분리판(10) 및 공기극 분리판(20)이 동시에 성형할 수 있도록 한다. 스테인리스 판재의 어느 하나에 형성된 주입구(41)를 하이드로포밍 가압부(40)와 연결하여 유체를 주입한다. 스테인리스 판재의 테두리부의 용접부(30) 때문에 내부로 유체가 유입되고 유체의 압력을 상승시켜 내부에 일정한 공간의 채널을 형성시킬 수 있도록 한다.
이 때 주입되는 유체는 물, 오일, 에어 등 통상적으로 하이드로포밍공정에 사용될 수 있는 유체일 수 있다.
상기 하이드로 포밍시 유체의 압력은 1200~2400bar가 바람직하다. 유체의 압력이 1200bar보다 작은 경우 목표치수 대비 성형품의 치수확보가 어려울수 있고, 유체의 압력이 2400bar 보다 큰 경우 분리판 용접부의 크랙이 발생하여 목표로 하는 분리판의 일괄성형이 곤란해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 하이드로포밍공정에서 사용되는 상부금형 및 하부금형의 온도는 150℃이하로 가열하는 것이 바람직하다. 금형으로부터의 열전달이 스테인리스 판재에 이루어져 성형성이 향상될 수 있다. 다만, 150℃를 초과하는 경우에는 에너지소모가 많아질 뿐만 아니라 표면산화층이 형성될 수 있어 금형에 손상이 이루어질 수 있다. 또한 고온으로 인하여 작업용이성 및 작업안정성이 저하될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 자세히 설명한다.
고분자 연료전지용 분리판의 제조를 위해 중량 퍼센트(wt%)로 30%의 Cr을 포함하는 스테인리스강을 가로, 세로 각각 20cm, 30cm이고 0.1mmt 두께의 2개의 판재를 준비하였다. 준비된 판재중 하나에 홀가공을 통하여 하이드로포밍공정을 위한 주입구를 형성하였다. 이후 판재를 맞대어 테두리부에 출력 150W, 이송속도 7m/min, Ar gas 15 Lither/m 로 용접을 실시하였다. 용접부 미세조직 관찰결과 기본 용접성과 상하부 비드 형상은 양호하였으며, 용접불량인 under-cut은 발견되지 않았다. 용접후 판재의 최적성형 조건 도출을 위하여 유한요소 성형 해석을 통한 최적 성형압 조건을 도출하였다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍공정의 최적 성형압 조건 도출을 위한 유한요소 성형해석 결과를 나타내는 그래프이다. 도3을 참조하면, 유체에 의한 가압력이 1200bar이상이 되어야 설계된 금형의 치수와 유사하게 성형될 수 있음을 알 수 있었다.
용접된 판재를 상부금형과 하부금형에 안착하여 연료극 분리판 및 공기극 분리판이 동시에 성형할 수 있도록 하였다. 안착된 분리판 판재에 유체를 물로 사용하여 성형압을 600bar에서 2800bar까지 변화시키면서 단면치수 확보도 및 소재의 두께감소율 결과를 검토한 결과 최적 성형조건은 1200~2400bar임을 알 수 있었다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2000bar의 압력으로 성형된 분리판의 단면구조를 나타낸 사진이다. 도4에 도시된 바와 같이 채널부가 양호하게 형성되어 성형이 이루어졌음을 알 수 있다.
이상 첨부된 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 연료극 분리판 20: 공기극 분리판
30: 용접부 40: 하이드로포밍 가압부
41: 주입구 51: 상부금형
52: 하부금형

Claims (5)

  1. 2개의 스테인리스 판재를 준비하는 단계;
    상기 판재의 어느 하나에 하이드로포밍 가압을 위한 주입구를 형성하는 단계;
    상기 판재를 맞대어 외곽테두리를 용접하는 단계;
    상기 주입구를 하이드로포밍 가압부와 연결하여 유체를 주입하는 단계; 및
    상기 주입구를 이용하여 하이드로포밍 성형공법에 의해 연료극 및 공기극의 유로채널을 동시에 성형하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 스테인리스 판재는 중량 퍼센트로 Cr: 25~32% 포함하고, 두께 0.2mm이하이며,
    상기 하이드로 포밍 성형압력은 1200~2400bar인 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 하이드로포밍 성형시 상부 다이 및 하부 다이의 온도를 150℃ 이하로 가열하는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 분리판의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제4항의 방법으로 제조된 고분자 연료전지용 분리판.
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